馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機研制與試驗*

蓋金星，李學強，魏忠彩，周進，王琳琳，劉洋

(1. 山東理工大學農業工程與食品科學學院，山東淄博，255091； 2. 山東省農業機械科學研究院，濟南市，250100； 3. 山東思代爾農業裝備有限公司，山東德州，253600； 4. 山東省馬鈴薯生產裝備智能化工程技術研究中心， 山東德州，253600)

0 引言

馬鈴薯營養豐富，糧菜飼兼用，被譽為“十全十美的全價營養物”[1-2]。馬鈴薯是世界第四大糧食作物，僅次于小麥、水稻和玉米，近年來，國內馬鈴薯種植面積在5 600 khm2以上，總產量在90 000 kt以上[3-5]。由于收獲后的馬鈴薯需要及時入倉存儲或加工處理，因此實現馬鈴薯產地處理的機械化尤為重要。

國內馬鈴薯產地貯運設備的研究設計雖在近幾年有所進展，但總體仍存在一些明顯不足：機械協同性較差，性能不穩定，自動化程度較低，尤其是作業過程馬鈴薯的損失較高[6]。產地貯運設備作業過程中，馬鈴薯表面與設備之間不斷接觸和摩擦，且薯塊之間也伴隨著振動和相互碰撞，如何提高機械的作業性能，同時避免其本身對馬鈴薯的機械損傷，以及馬鈴薯輸送過程中薯塊之間的碰撞損傷，仍是現今的研究難點[7]。

目前，國內馬鈴薯的產地裝車形式主要是袋裝輸送和散裝輸送，產地散裝裝車設備的需求較大，而現有機械普遍不能滿足高效、低損的作業要求。馬鈴薯產地機械化裝車水平直接影響產地馬鈴薯的品質，本文通過理論分析，結合實際作業需求，對整機關鍵部件進行結構設計，并研發出液壓、電氣控制系統，對其元件進行了選型設計，在此基礎上以高生產率、低損失為主要評價指標對裝車機進行田間作業效果試驗。

1 整機結構與工作原理

1.1 整機結構

馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機主要由三級折疊提升架、柔性減損集薯輸送帶、驅動裝置、液壓缸、液壓控制閥組、液壓站、底盤、電控系統、傳感器等結構組成，如圖1所示。左定義為裝車機沿前進方向的左側，右定義為裝車機沿前進方向的右側。

一級提升架與地面的夾角α由左右兩個液壓缸Ⅲ的伸縮來控制，一級提升架與二級提升架之間的夾角β由左右兩個液壓缸Ⅰ的伸縮來控制，二級提升架與三級提升架之間的夾角γ則由左右兩個液壓缸Ⅱ的伸縮來控制。改變α、β、γ的大小，可直接導致裝車機位姿的變化。

1.2 工作原理

在馬鈴薯收獲季節，馬鈴薯經過挖掘、轉運、清選、分揀等設備處理之后，被傳送至裝車機進行裝車作業，最后進入倉庫貯存或工廠加工。

作業前，應首先確定好裝車機所處位置，調整左右地輪支撐架高度，將底盤穩固。依次展開一級提升架、二級提升架、三級提升架，調整好出料口馬鈴薯的初始落差，然后將驅動裝置中的液壓馬達開啟，裝車機開始作業。裝車機可分為手動和自動兩種作業模式，自動裝車模式下，電氣控制系統可通過接收光電傳感器Ⅰ、光電傳感器Ⅱ和超聲波傳感器的反饋信號，對裝車機的位姿進行自動調節。作業完畢，關閉液壓馬達，依次收回三級提升架、二級提升架、一級提升架，直至裝車機的三級提升結構完全折疊，最后收回底盤中的左右地輪支撐架，整機由工作狀態轉為待轉移狀態，如圖2所示。馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機主要技術參數如表1所示。

圖2 待轉移狀態結構圖Fig. 2 Structure diagram of state to be transferred1.右地輪支撐架 2.左地輪支撐架

表1 裝車機主要技術參數Tab. 1 Main technical parameters of loader

2 關鍵部件設計

2.1 底盤設計

裝車機底盤承擔著整機的穩固、轉移和連接功能，主要由地輪、左右地輪支撐架、減震支架、支撐底座、牽引架等構成，如圖3所示。左右地輪支撐架和牽引架支撐腿的升降由自帶液壓缸的伸縮來實現。當裝車機由待轉移狀態切換為作業狀態時，底盤首先保證支撐底座完全著地，然后將左右地輪支撐架由圖2狀態打開為圖3狀態并伸展至最長，此時左右地輪支撐架、左右地輪和支撐底座同時支撐地面，底盤即可滿足整機作業時的穩固要求；當裝車機需要轉移工作地點時，底盤首先將左右地輪支撐架收縮至最短，并收回至圖2狀態，將牽引架支撐腿伸長頂起牽引架，使牽引架懸掛點的高度在180～500 mm可調節，保證了農用拖拉機后置牽引裝置及其他牽引動力能對裝車機進行牽引轉移。

圖3 底盤結構圖Fig. 3 Structure drawing of chassis device1.右地輪支撐架 2.地輪 3.減震支架 4.左地輪支撐架 5.液壓站 6.牽引架 7.牽引架支撐腿 8.支撐底座 9.連接立板 10.配重連接板 11.電控系統 12.液壓控制閥組

裝車機的液壓站安裝于底盤的左側，電控系統和液壓控制閥組安裝于底盤的右側，便于操作和觀察；當機器處于牽引移動過程中，一級提升架的前端落在兩個減震支架上，整機行走過程中能有效地吸收因路面不平整帶來的沖擊能量，提高設備移動穩定性。

2.2 三級折疊提升系統結構設計

三級折疊提升系統是整機的主要運動和連接部件，由一級提升架、二級提升架、三級提升架和多種輸送帶支撐輥等構成。輸送帶的驅動裝置安裝在三級提升架的末端，為保障作業時輸送帶和超聲波傳感器的安全，三級提升架末端設置有防護彎管。

為使馬鈴薯在作業過程中具有合理的提升傾角，減少馬鈴薯的跌落損傷，本機結合《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》對運輸車高度的規定，通過電氣系統控制α、β和γ的變化范圍，改變三級折疊提升系統的姿態，使出料口與地面的距離可在1.4～4.5 m范圍內變化，此外，三級提升架探入運輸車的最大深度可達2.3 m，保證了裝車機能夠適應多種裝車需求。

2.3 柔性減損集薯輸送帶結構設計

馬鈴薯之間的碰撞、馬鈴薯與機械之間的碰撞是影響裝車過程中傷薯率和破皮率高低的主要因素，如何在提高作業效率的同時降低馬鈴薯的損失一直是輸送帶的設計難題[8-9]。本機設計的柔性減損集薯輸送帶纏繞在三級折疊提升系統上，輸送帶總寬度為1 038 mm，采用傳統皮帶加裝柵條式組合鏈棍，外側包裹彈性輸送布的型式，主要由擋料邊齒、輸送底布、橡膠皮帶、柵條式組合鏈棍等構成，如圖4所示，柵條式組合鏈棍則主要由上折彎柵條、下折彎柵條和橡膠套管構成，如圖5所示。

圖4 柔性減損集薯輸送帶結構簡圖Fig. 4 Structure diagram of flexible buffer conveyor belt1.橡膠皮帶 2.輸送底布 3.凸起擋片 4.擋料邊齒 5.柵條式組合鏈棍

圖5 柵條式組合鏈棍結構簡圖Fig. 5 Structure diagram of combined bar chain rod1.下折彎柵條 2.橡膠套管 3.上折彎柵條

為配合前端分選設備的作業指標(一般生產率為40 t/h)，裝車機的生產率目標設為≥40 t/h。為避免馬鈴薯輸送過程與鏈棍的直接接觸造成損傷，根據折疊工作需求不宜采用較厚覆蓋層，輸送布采用1 mm厚高強度復合材料，并為包裹組合鏈棍而硫化出寬度為850 mm，間距為240 mm的凸起擋片；柵條式組合鏈棍穿入輸送布上的凸起擋片中，兩端安裝在橡膠皮帶上，柵條式組合鏈棍與凸起擋片形成了具有傾斜角度的擋料板；為保證作業時馬鈴薯能夠一直被收集于擋板之內，在擋料板兩側還安裝了軟質擋料邊齒。該輸送帶的結構設計，保證了馬鈴薯在作業過程中不會因裝車機α、β、γ的變化而回滾、掉落，減少了馬鈴薯因相互碰撞和摩擦造成的損傷；柵條式組合鏈棍上安裝的橡膠套管以及軟質輸送布的作用，使馬鈴薯與機具之間碰撞造成的損傷也被大幅減少。

2.4 液壓系統的設計與控制分析

2.4.1 液壓馬達參數確定

柔性減損集薯輸送帶的運轉依靠液壓馬達帶動驅動裝置來實現，根據輸送帶尺寸參數、輸送速度以及輸送量的要求，確定使用BMR-315P2AⅡY10/T10型液壓馬達，其排量321.5 mL/r，最大扭矩380 N·m，在連續工作狀態下能保證輸送帶的線速度在0～1.2 m/s范圍內可調節。為防止輸送帶因維修、電路等原因發生反向輸送的情況，在液壓馬達進油口安裝了單向閥。

2.4.2 液壓缸參數設計

裝車機共有液壓缸Ⅰ、液壓缸Ⅱ、液壓缸Ⅲ、牽引架支撐腿液壓缸和左右地輪支撐架液壓缸五類，其中只有液壓缸Ⅱ為拉力型液壓缸，其缸徑[10]計算公式如式(1)所示。

(1)

式中：D1——拉力型液壓缸缸徑，mm；

F1——液壓缸最大拉力負載，N；

P1——液壓缸工作壓力，MPa；

d——活塞桿外徑，mm。

推力型液壓缸缸徑計算公式如式(2)所示。

(2)

式中：D2——推力型液壓缸缸徑，mm；

F2——液壓缸最大推力負載，N；

P2——液壓缸工作壓力，MPa。

在試驗壓力要求為20 MPa，工作壓力要求在16 MPa條件下，各液壓缸的參數設計如表2所示。

表2 液壓缸參數設計Tab. 2 Parameter design of hydraulic cylinder

2.4.3 液壓站確定

因裝車機作業時5個部位的液壓缸不會同時動作，且需求流量相對較小，而液壓馬達需一直運轉，需求流量較大，根據液壓缸和液壓馬達的技術參數，液壓站內部配備了46.4 L/min、14.5 L/min的雙聯齒輪泵，其中大流量齒輪泵用于液壓馬達的運轉，小流量齒輪泵則用于各液壓缸的伸縮動作；根據負載和流量情況，液壓站的驅動電機采用AC380 V，11 kW的三相異步電機，油箱體積為90 L。本機液壓站系統主要由電機、齒輪泵、油箱、散熱器和過濾器等構成，其結構如圖6所示。

圖6 液壓站結構示意圖Fig. 6 Structure diagram of hydraulic station1.電機 2.油箱 3.過濾器 4.散熱器

2.4.4 液壓控制閥組設計

裝車機液壓控制閥組主要由雙向平衡閥、液壓底板、電磁換向閥、溢流調節閥、調速閥和并聯多路閥等組成，如圖7所示。

圖7 液壓控制閥組示意圖Fig. 7 Schematic diagram of hydraulic control valve group1.溢流調節閥 2.電磁換向閥 3.液壓底板 4.雙向平衡閥 5.安裝板 6.并聯多路閥 7.調速閥

該液壓控制閥組可分為液壓馬達和液壓缸兩個控制模塊。其中液壓馬達控制模塊由液壓底板、溢流調節閥、電磁換向閥疊加成的整體和調速閥組成，通過控制電磁換向閥的通斷來控制液壓馬達的啟停，通過旋動溢流調節閥旋鈕來調節大流量齒輪泵回路的系統壓力，通過調整調速閥的開關量大小來調節液壓馬達的轉速；液壓缸控制模塊主要由并聯多路閥和雙向平衡閥組成，并聯多路閥為五路電磁換向閥并聯，分別連接五個部位的液壓缸，其中為保證裝車機一級提升架與二級升級架之間的伸展平穩，在并聯多路閥與液壓缸Ⅰ之間增設了雙向平衡閥。

2.5 傳感器確定

本機光電傳感器Ⅰ和光電傳感器Ⅱ結構原理相同，采用一種集發射器和接收器于一體的漫反射式傳感器，檢測距離在0～300 mm可調，在裝車機上的安裝位置也可調節。三級提升架末端的出料口安裝的是超聲波傳感器，該傳感器適用于馬鈴薯薯塊的檢測，傳感器本身檢測距離50～800 mm可調，根據本機傳感器的安裝位置，結合作業時的不同工況，可以將出料口末端與物料之間的距離設定在合理范圍內，從而降低馬鈴薯的傷薯率和破皮率[11-12]。

3 控制系統結構與原理

3.1 關鍵控制元件確定

控制系統主控制模塊采用型號為224的西門子S7-200PLC作為控制核心，選用TPC7062Ti嵌入式人機交互觸摸屏作為功能設置和顯示界面安裝在配電箱面板上。因作業工況的不同，有需要對裝車機遠距離操控的情況，為此本系統配備了12鍵盤無線遙控器，分別控制液壓馬達的啟停和5個部位液壓缸的伸縮動作，該遙控器信號穩定接收范圍可達直徑60 m，數據能夠在PLC、觸摸屏之間傳輸穩定，遙控器的應用實現了操作者對裝車機的遠程操控。

3.2 控制系統結構設計

裝車機控制系統主要由主控、檢測、輸送帶控制、升降控制等模塊構成，如圖8所示。作業過程中，控制系統將傳感器信號和控制信息進行采集處理，控制相應模塊的動作。

圖8 控制系統結構圖Fig. 8 Structure diagram of control system

3.3 三級折疊提升系統自動升降控制原理

本控制系統依據出料口末端超聲波傳感器的檢測高度h與設定的最小跌落高度x、最大跌落高度y之間的數值關系，結合兩個光電傳感器的檢測信號，自動調整α、β和γ的大小以保證出料口馬鈴薯的跌落高度一直處于設定參數范圍內，實現自動減損裝車，其控制流程如圖9所示。

圖9 自動升降控制流程圖Fig. 9 Flow chart of automatic lifting control

3.4 輸送帶啟停模塊控制原理

因三級折疊提升系統的特殊結構，若三級提升架在折疊狀態下開啟輸送馬達，則柔性減損集薯輸送帶容易因過緊、干涉等問題造成設備損壞。本控制系統利用光電開關Ⅰ和光電開關Ⅱ設置了輸送帶安全啟停模塊，其控制流程如圖10所示。

圖10 輸送帶啟停控制流程圖Fig. 10 Conveyor belt start stop control flow chart

3.5 液壓控制系統設計原理

液壓馬達、液壓缸、液壓站和液壓控制閥組等液壓元件的有序結合，使得裝車機功能全面，可靠性強。本機液壓系統控制原理如圖11所示。

圖11 液壓控制系統原理圖Fig. 11 Schematic diagram of hydraulic control system

4 柔性減損集薯輸送裝車機性能試驗

4.1 試驗條件與過程

在河北省灤南縣馬鈴薯種植基地收獲期間，對本文設計的馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機進行了現場裝車作業。根據實際作業環境，將超聲波傳感器的檢測范圍設定在了160～410 mm，以保證馬鈴薯的跌落高度處于100～350 mm的范圍內[13]。

本機參考DB15/T 1418—2018《馬鈴薯種薯智能倉儲技術規程》和NY/T 648—2015《馬鈴薯收獲機質量評價技術規范》[14-16]將作業過程中純工作小時生產率和傷薯率T1、破皮率T2、機器故障率P作為試驗研究的指標，其計算公式如式(3)～式(5)所示。

(3)

(4)

(5)

式中：T1——馬鈴薯因作業過程造成的傷薯率；

T2——馬鈴薯因作業過程造成的破皮率；

W——作業后馬鈴薯總質量，kg；

W1——作業前損傷的馬鈴薯質量，kg；

W2——作業后損傷的馬鈴薯質量，kg；

W3——作業前破皮的馬鈴薯質量，kg；

W4——作業后破皮的馬鈴薯質量，kg；

P——馬鈴薯因作業過程造成的傷薯率；

t1——停機等待時間，min；

t2——維修所用時間，min；

tz——計劃用機時間，min。

4.2 試驗結果與分析

經過多次裝車試驗的統計，將試驗數據整理和分析后，其試驗結果如表3所示。

表3 樣機試驗結果Tab. 3 Test results of prototype

試驗數據表明，該機生產率可達52 t/h，傷薯率為0.95%，小于1.0%，破皮率1.32%，小于1.5%，機器故障率2.10%，均優于設計目標。因此，該裝車機具有作業效率高、機器故障率低的優點，尤其是作業過程中有效控制了馬鈴薯的傷薯率和破皮率，達到了高效低損裝車的目的。

5 結論

1) 本文設計了一款馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機，該機具有獨特的底盤裝置，實現裝車機狀態切換，并保證作業穩固。同時該機具有的傾斜擋料板、軟質輸送布和防護邊齒等減損結構，能有效減少馬鈴薯輸送過程中的碰撞損傷。

2) 控制系統利用光電傳感器和超聲波傳感器對三級折疊提升系統夾角和物料高度信息的實時采集，經過PLC控制模塊的分析處理，可對裝車機的位姿進行自動調節，實現了自動減損裝車。

3) 裝車試驗表明：該馬鈴薯高效低損產地貯運集薯裝車機機械、液壓和電氣系統結合緊密，操作簡單，能夠滿足高效低損的裝車需求。該機的最大作業效率達52 t/h，傷薯率和破皮率可以分別控制在1.0%和1.5%以下，試驗結果均優于設計目標。